Siden begynnelsen av romalderen har mennesker vært avhengige av kjemiske raketter for å komme seg ut i verdensrommet. Selv om denne metoden absolutt er effektiv, er den også veldig dyr og krever en betydelig mengde ressurser. Når vi ser på mer effektive måter å komme ut i verdensrommet, må man lure på om lignende avanserte arter på andre planeter (der forholdene vil være annerledes) vil stole på lignende metoder.
Harvard-professor Abraham Loeb og Michael Hippke, en uavhengig forsker tilknyttet Sonneberg Observatory, tok begge opp dette spørsmålet i to nylig utgitte artikler. Mens professor Loeb ser på utfordringene utenomjordiske land vil møte raketter fra Proxima b, vurderer Hippke om romvesener som bor på en Super-Earth vil kunne komme seg ut i verdensrommet.
Avisene, flislagt “Interstellar Escape from Proxima b is Knapt mulig med kjemiske raketter” og “Spaceflight from Super-Earths is vanskelig” ble nylig vist på nettet, og ble forfatter av henholdsvis professor Loeb og Hippke. Mens Loeb løser utfordringene med kjemiske raketter som rømmer fra Proxima b, vurderer Hippke hvorvidt de samme rakettene i det hele tatt vil kunne oppnå rømningshastighet.
Av hensyn til studien vurderte Loeb hvordan vi mennesker er heldige nok til å leve på en planet som er godt egnet for romoppskytinger. I utgangspunktet, hvis en rakett skal rømme fra jordens overflate og nå verdensrommet, må den oppnå en rømningshastighet på 11.186 km / s (40.270 km / t; 25.020 mph). Tilsvarende er rømningshastigheten som trengs for å komme vekk fra jordens beliggenhet rundt solen, omtrent 42 km / s (151.200 km / t; 93,951 mph).
Som professor Loeb fortalte Space Magazine via e-post:
“Kjemisk fremdrift krever en drivstoffmasse som vokser eksponentielt med terminalhastighet. Ved et heldig tilfeldighet er rømningshastigheten fra jordens bane rundt sola på grensen for oppnåelig hastighet av kjemiske raketter. Men den beboelige sonen rundt svakere stjerner er nærmere, noe som gjør det mye mer utfordrende for kjemiske raketter å rømme fra den dypere gravitasjonsgraven der. "
Som Loeb indikerer i essayet sitt, skalerer rømningsfarten som kvadratroten til stjernemassen over avstanden fra stjernen, noe som innebærer at rømningshastigheten fra den beboelige sonen skalerer omvendt med stjernemasse til kraften til en fjerdedel. For planeter som Jorden som går i bane rundt den beboelige sonen til en G-type (gul dverg) -stjerne som vår Sol, fungerer dette ganske lenge.
Dessverre fungerer dette ikke bra for jordbaserte planeter som går i bane rundt stjerner av M-type (rød dverg). Disse stjernene er den vanligste typen i universet, og står for 75% av stjernene i Melkeveis galaksen alene. I tillegg har nylige eksoplanettundersøkelser oppdaget en mengde steinete planeter som kretser rundt røde dvergstjernesystemer, med noen forskere som våger at de er det mest sannsynlige stedet å finne potensielt beboelige steinete planeter.
Ved å bruke vår nærmeste stjerne som eksempel (Proxima Centauri), forklarer Loeb hvordan en rakett som bruker kjemisk drivmiddel ville ha mye vanskeligere tid for å oppnå rømningshastighet fra en planet som ligger innenfor den beboelige sonen.
"Den nærmeste stjernen til solen, Proxima Centauri, er et eksempel for en svak stjerne med bare 12% av solens masse," sa han. ”For et par år siden ble det oppdaget at denne stjernen har en planet i jordstørrelse, Proxima b, i sin beboelige sone, som er 20 ganger nærmere enn jordens separasjon fra solen. På det stedet er rømningshastigheten 50% større enn fra jordens bane rundt sola. En sivilisasjon på Proxima b vil finne det vanskelig å flykte fra deres beliggenhet til det interstellare rommet med kjemiske raketter. ”
Hippkes papir begynner derimot med å vurdere at Jorden faktisk ikke kan være den mest beboelige typen planet i vårt univers. For eksempel ville planeter som er mer massive enn Jorden, ha høyere overflatevitet, noe som betyr at de ville være i stand til å holde fast i en tykkere atmosfære, noe som vil gi større skjerming mot skadelige kosmiske stråler og solstråling.
I tillegg vil en planet med høyere tyngdekraft ha en flatere topografi, noe som ville resultert i øygrupper i stedet for kontinenter og grunnere hav - en ideell situasjon når det gjelder biologisk mangfold. Når det gjelder rakettoppskytninger, vil økt overflategravitet imidlertid også bety en høyere rømningshastighet. Som Hippke antydet i sin studie:
"Raketter lider av Tsiolkovsky (1903) -ligningen: hvis en rakett bærer sitt eget drivstoff, er forholdet mellom total rakettmasse og slutthastighet en eksponentiell funksjon, noe som gjør høye hastigheter (eller tung nyttelast) stadig dyrere."
Til sammenligning bruker Hippke Kepler-20 b, en Super-Earth som ligger 950 lysår unna, som er 1,6 ganger Jordens radius og 9,7 ganger så masse. Mens flukthastigheten fra Jorden er omtrent 11 km / s, vil en rakett som prøver å forlate en Super-Earth som ligner Kepler-20b, trenge for å oppnå en rømningshastighet på ~ 27,1 km / s. Som et resultat ville en en-trinns rakett på Kepler-20 b måtte brenne 104 ganger så mye drivstoff som en rakett på jorden for å komme i bane.
For å sette det i perspektiv vurderer Hippke spesifikke nyttelaster som blir lansert fra Jorden. "For å løfte en mer nyttig nyttelast på 6,2 t som kreves for James Webb-romteleskopet på Kepler-20 b, ville drivstoffmassen øke til 55 000 tonn, omtrent massen til de største hav-slagskipene," skriver han. "For et klassisk Apollo-måneoppdrag (45 t), må raketten være betydelig større, ~ 400 000 tonn."
Mens Hippkes analyse konkluderer med at kjemiske raketter fremdeles vil tillate rømningshastigheter på Super-Earths opp til 10 jordmasser, gjør mengden drivmiddel som trengs, denne metoden upraktisk. Som Hippke påpekte, kan dette ha en alvorlig effekt på en fremmed sivilisasjons utvikling.
"Jeg er overrasket over å se hvor nær vi som mennesker er å havne på en planet som fremdeles er rimelig lett å gjennomføre romflukt," sa han. “Andre sivilisasjoner, hvis de eksisterer, er kanskje ikke så heldige. På mer massive planeter ville romflukten bli eksponentielt dyrere. Slike sivilisasjoner ville ikke ha satellitt-TV, et måneoppdrag eller et Hubble-romteleskop. Dette bør endre deres måte å utvikle seg på visse måter vi nå kan analysere mer detaljert. ”
Begge disse papirene har noen klare implikasjoner når det gjelder søken etter utenomjordisk etterretning (SETI). For det første betyr det at sivilisasjoner på planeter som går i bane rundt røde dvergstjerner eller Super-Earths, er mindre sannsynlig å være romfarende, noe som vil gjøre det å oppdage dem vanskeligere. Det indikerer også at når det kommer til hva slags fremdrift menneskeheten er kjent med, kan vi være i mindretall.
"Dette resultatene ovenfor innebærer at kjemisk fremdrift har et begrenset verktøy, så det ville være fornuftig å søke etter signaler assosiert med lysseil eller kjernefysiske motorer, spesielt i nærheten av dvergstjerner," sa Loeb. "Men det er også interessante implikasjoner for fremtiden til vår egen sivilisasjon."
"En konsekvens av papiret er romkolonisering og SETI," la Hippke til. “Civs fra Super-Earths er mye mindre sannsynlig å utforske stjernene. I stedet ville de (til en viss grad) bli "arrestert" på hjemmeplaneten, og f.eks. gjøre mer bruk av lasere eller radioteleskoper for interstellar kommunikasjon i stedet for å sende sonder eller romskip. "
Imidlertid bemerker både Loeb og Hippke også at utenomjordiske sivilisasjoner kan håndtere disse utfordringene ved å ta i bruk andre metoder for fremdrift. Til slutt kan kjemisk fremdrift være noe som få teknologisk avanserte arter vil ta i bruk fordi det rett og slett ikke er praktisk for dem. Som Loeb forklarte:
"En avansert utenomjordisk sivilisasjon kan bruke andre fremdriftsmetoder, for eksempel kjernefysiske motorer eller lyssprekker som ikke er begrenset av de samme begrensningene som kjemisk fremdrift og kan nå hastigheter så høye som en tidel av lysets hastighet. Sivilisasjonen vår utvikler for tiden disse alternative fremdriftsteknologiene, men denne innsatsen er fremdeles i begynnelsen.
Et slikt eksempel er Breakthrough Starshot, som for tiden utvikles av Breakthrough Prize Foundation (hvorav Loeb er leder av Advisory Committee). Dette initiativet tar sikte på å bruke et laserdrevet lysseil for å akselerere et nanokraft opp til hastigheter på 20% lysets hastighet, noe som vil tillate det å reise til Proxima Centauri på bare 20 år.
Hippke anser på samme måte kjernefysiske raketter som en levedyktig mulighet, siden økt overflatetyngdekraft også vil bety at romheiser ville være upraktiske. Loeb indikerte også at begrensningene som ble satt av planeter rundt lavmassestjerner kan ha konsekvenser for når mennesker prøver å kolonisere det kjente universet:
”Når solen skal varme opp nok til å koke alt vann fra jordens overflate, kunne vi flytte til et nytt hjem da. Noen av de mest ønskelige destinasjonene ville være systemer med flere planeter rundt lavmassestjerner, for eksempel den nærliggende dvergstjernen TRAPPIST-1 som veier 9% av en solmasse og har syv planeter i jordstørrelse. Når vi først har kommet til den beboelige sonen TRAPPIST-1, ville det imidlertid ikke være noe hastverk med å flykte. Slike stjerner brenner hydrogen så sakte at de kunne holde oss varme i ti billioner år, omtrent tusen ganger lenger enn solens levetid. ”
Men i mellomtiden kan vi hvile lett i kunnskapen om at vi lever på en beboelig planet rundt en gul dvergstjerne, som gir oss ikke bare liv, men muligheten til å komme oss ut i verdensrommet og utforske. Som alltid, når det gjelder å søke etter tegn på utenomjordisk liv i vårt univers, er vi mennesker tvunget til å ta "lavt hengende frukttilnærming".
I utgangspunktet er den eneste planeten vi kjenner til som støtter liv, Jorden, og de eneste midlene for romutforskning vi vet hvordan vi skal se etter er de vi selv har prøvd og testet. Som et resultat er vi noe begrenset når det gjelder å lete etter biosignaturer (dvs. planeter med flytende vann, oksygen og nitrogenatmosfærer, etc.) eller teknosignaturer (dvs. radiooverføringer, kjemiske raketter, etc.).
Etter hvert som vår forståelse av hvilke forhold livet kan dukke opp under øker, og vår egen teknologi går fremover, vil vi ha mer å se etter. Og forhåpentligvis, til tross for de ekstra utfordringene det kan møte, vil utenomjordisk liv se etter oss!
Professor Loebs essay ble også nylig publisert på Scientific American.
